Способ определения эффективности катодной защиты подземных стальных сооружений и коррозионно-индикаторный зонд для его осуществления

 

Изобретение относится к защите от коррозии и может быть применено для определения эффективности катодной станции при защите подземного сооружения . Пель изобретения - повышение точности определения. Определяют полярность стального сооружения по отношению к образцу, концентрация кислорода на поверхности которого равна нулю, изготовленному из того же металла , что и подземное сооружение. Образец в грунт вводят в составе двухэлектродного зонда до уровня укладки подземного сооружения. На поверхности образца кислород связывают от автономного источника тока (полярографа), фиксируют предепьный ток по ки-I слороду, отключают автономный источ-. ник тока и образец подключают к катодной защите подземного стального сооружения. Затем, сравнивая величину тока катодной защиты с предельной по кислороду, судят об эффективности катодной защиты подземного сооружения. В случае, если величина тока катодной зашиты j3c( окажется меньше предельного тока по кислороду j, определяют остаточный ток коррозии 0°oJ :С} Лр-Лхщ- Соответственно степень защиты z при этом определяют как /jnp- 100%. В случае, если величина защитного тока превышает предельный ток по кислороду, определяют коэффициент полезного использования тока катодной защиты (Ј): # j ПР /.Зэсш Способ реализуют с помощью коррозионно-индикаторного зонда. Зонд состоит из стального цилиндрического корпуса с ручками и колпаком, рабочего электрода и соединительных проводов. В отверстие у основания цилиндрического корпуса зонда герметично встроен плоский рабочий электрод из материала образца диаметром 3-6 мм, а расстояние между рабочим и вспомогательным электродами составляет 0,1-0,5 мм, причем вспомогательным электродом служит наружная поверхность стального корпуса зонда, площадь которого в превышает площадь рабочего электрода. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. 59 л о оэ ел о №

СОЮЗ С08ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 С 23 F 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4637033102 (22) 12.01.89 (46) 15.01.91. Бюл. И 2 (71) Томский политехнический институт им. С.М. Кирова (72) В.И.Хижняков и В.A.Ëÿãóøèí (53) 620. 197.4 (088.8) (56) Патент С!ЯА Р 3649492, кл. 204-148, 1972.

Хижняков В.И. Коррозия трубной стали в дефектах изоляционного покрытия нефтепроводов в условиях центральной части Западной Сибири. — Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. N.: ВНИИОЭНГ, 1982, Н - 10 с. 2. (54) СПОСОБ ОПРЕ)ВСЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

КАТОРЖНОЙ ЗА1(ИТЫ ПОЛЗЕИНЫХ СТАЛЬНЫХ

СООРУЖЕНИЙ И КОРРОЗИОННО-ИНДИКАТОРНЫЙ

ЗОНП ДЛЯ ЕГО ОСУ1ЯЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к защите от коррозии и может быть применено для определения эффективности катодной станции при защите подземного сооружения. Пель изобретения — повышение точности определения. Определяют полярность стального сооружения по отношению к образцу, концентрация кислорода на поверхности которого равна нулю, изготовленному из того же металла, что и подземное сооружение.

Образец в грунт вводят в составе двухэлектродного зонда до уровня укладки подземного сооружения. На поверхности образца кислород связывают от ав2 тономного источника тока (полярографа), фиксируют предельный ток по ки-f слороду, отключают автономный источник тока и образец подключают к катодной защите подземного стального сооружения. Затем, сравнивая величину тока катодной защиты с предельной по кислороду, судят об эффективности катодной защиты подземного сооружения

В случае, если величина тока катодной защиты 1,, окажется меньше предельного тока по кислороду j„, оп° Ор ределяют остаточный ток коррозии (jÄ ):j„ >=j„ -), Соответственно

К0Р аР (1 Ц сте%нь защиты к при этом определяют как z=j„jj „ 1007,. В случае, если величина защитного тока превышает предельный ток по кислороду, определяют коэффициент полезного использования тока катодной защиты (f):

1 пр

= j „ /j «1007,. Способ реализуют с

° Ог помощью коррозионно-индикаторного зонда. Зонд состоит из стального цилиндрического корпуса с ручками и колпаком, рабочего электрода и соединительных проводов. В отверстие у основания цилиндрического корпуса зонда герметично встроен плоский рабочий электрод из материала образца диаметром 3-6 мм, а расстояние между рабочим и вспомогательным электродами составляет О, 1-0,5 мм, причем вспомогательным электродом служит наружная поверхность стального корпуса зонда, 6+з площадь которого в 106- раз превышает площадь рабочего электрода. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1620506

50

Изобретение относится к технике электр охимич еских и змер ений и может быть использовано для экспрессного определения степени защиты подземных стальных сооружений, имеющих катоднув защиту, Цель изобретения — Повьпиение точности определения.

Способ заключается в том, что определяют полярность стального сооружения по отношению к образцу, концентрация кислорода на поверхности которого равна нулю, изготовленному из металла сооружения, при этом об в 15 разец погружают в грунт на уровень укладки подземного стального сооружения в составе двухэлектродного зонда, в котором он выполняет д>ункцию рабочего электрода, На .поверхности 2р рабочего электрода кислород связывают от автономного источника тока (полярогряфя), фиксируют этот ток, затем отключают автономный источник тока и рабочий электрод зонда подклю- 25 чают к катодной заи ите подземного стал>. ного сооружения, определяют полярность подземного сооружения по отнои|е>нпо к рабочему электроду, кон— центряция кислорода на поверхности которого равна нулю, и по величине защитного тока, протекающего через рабочий электрод, судят об эффективности катодной защиты подземного стального сооружения.

Для больи>инствя обводненных сла35 боминерализовапных грунтов нефтегазодобывающих районов Западной Сибири скорость коррозионного процесса лимитируется доставкой кислорода к корродирующей поверхности из толщи грунта. Для этих условий максимально возможное значение коррозионного то° макс ка j „равно предельному по кисло> г. . ракс, 0> коР по

После установления во времени значения предельного тока кислорода (в толще грунта это в среднем через

15 мин) рабочий электрод отключак>т от автономного источника тока (полярографа) и через микроамперметр подключают к подземному стальному соору женив, имеющему катодную защиту.

Если значение тока катодной защиты

1 совпадает с предельным по кислороду, значит на защищаемой поверхности подземного сооружения кислород, поступающий из окружающего грунта, полностью связывается за счет электронов, поступающих от внешнего источника тока, либо протектора, Если защитный ток меньше предельного тока по кислороду или больше, то такая ситуация соответствует либо недозащите, либо перезащите. Недозащита в данном случае свидетельствует Ь том, что не весь кислород на защищаемой поверхности связывается электронами, поступающими от внешнего источника тока катодной защиты, Некоторая его часть связывается электрон ми, поступающими от анодных участков защищаемой поверхности.

Величина остаточного коррозионного тока в данном случае определяется выражением: .оСТ .Ог

-1кор 1пр jåà4> . осг где 1 кои — величина остаточного тока коррозии; значение тока катодной защиты.

Максимально возможная плотность

° (иакс коррозионного тока 1 в этом случае кор совпадает с плотностью предельного тока кислорода. Если величина защитного тока больше предельного по кислороду, это значит, что защитный ток выше, чем это требуется для защиты, когда остаточной коррозией можно пренебречь. При этом разность между величиной защитного тока и величиной предельного тока по кислороду показывает величину избыточного тока катодной защиты, обусловленного протеканием реакции водородной деполяризации j

È>6

° "г г „,ь 1яьЛ пр

Это — перезащита, Она также нежелательна, так как при этом происходит перерасход электрической энергии на нежелательный в данном случае электролиз воды, когда на защищаемой поверхности подземного стального сооружения вь|деляется водород, а на анодном заземлении — кислород. К этом случае определяют коэффициент полезного использования -тока катодной защиты в данной точ> е лодзем:. го стального сооружения (g):

1= ——

g пол

Яаьц гле Q — полезньп1 расход электричесиоп кой энергии (на протекание как

5 16 реакции кислородной деполяризации) за единицу нремени1 — общий расход электрической

06Щ энергии (на протекание двух реакций: кислородной и водородной деполяризаций) за единицу времени.

В свою очередь полезньп расход электрической энергии определяется.Оа л по а общий расход электрической энергии определяется выражением

Л 0Щ б где ь — условно выбранная единица .времени.

Таким образом, из изложенного можно сделать вывод о значительном о сравнению с прототипом поньппении достоверности получаемых результатов и о существенном рас1пирении их информативности.

Данньп способ реализуется с помощью коррозионно-индикаторного зонда, содержащего стальной корпус с ручками и колПаком, рабочий и вспомогательный электроды, конический наконечник и соединительные провода, при этом н отверстие внутри корпуса у основания боковой цилиндрической части зонда герметично установлен плоский рабочий электрод из материала образца диаметром 3-6 мм. Именно при этих диаметрах рабочего электрода реализует ся при .прочих равных условиях в толще грунта максимальное значение предельного тока по кислороду. Расстояние между рабочим электродом и вспомогательным, которым является нся наружная поверхность зонда, составляет

0,1-0,5 мм. Нижний предел ограничен тем, что при меньших расстояниях может наблюдаться пробой изоляционной втулки и рабочий и вспомогательный электроды зонда окажутся короткозамкнутыми, а верхний — тем, что при больших расстояниях полярографическая волна кислорода н грунтах, имеющих, как правило, большое омическое сопротивление, сглаживается и даже исчезает. Вспомогательный электрод, которым является вся наружная поверхность коррозионно-индикаторного зонда, превьппает го площади рабочий

613 электрод н 10 раз, Это сделано для

20506 6 того, чтобы полностью устранить влияние поляризации вспомогательного электрода ITB кинетику электрохимичес5 кого восстановления кислорода на рабочем электроде. В прототипе поверхность цинкового электрода превосходит поверхность стального н 5-10 раз.

Специально проведенные экспериментальные исследования показывают, что этого недостаточно. Поэтому в пр едлагаемой конструкции зонда площадь вспомогательного электрода превосходит площадь рабочего электрода, изготовленного из металла подземного я+ оа сооружения, в 10 — раз.

На чертеже представлен коррозионно-, индикаторный зонд.

Зонд состоит из снинчивающегося

20 из отдельных частей стального корпуса 1 с центральным каналом. Верхняя .часть стального корпуса зонда оканчивается колпаком 2 с ручками 3, а нижняя — острым наконечником 4 с

25 встроенным в его боковую поверхность рабочим электродом в виде плоского торца диаметром 3 — 6 мм из металла подземного сооружения 5 с изолирующей фторопластовой втулкой 6 толщиной

0,1-0,5 мм. пля предотвращения подсоса воздуха н зону реакции из внутренней полости зонда место выхода изолирующей втулки с контактным проводом изнутри стального наконечника загерметизировано эпоксидным клеем

7. Все резьбовые соединения стального корпуса зонда имеют уплотняющие прокладки, Конкретный пример реализации пред4О лагаемого способа определения эффективности катодной .защиты с помощью предлагаемого устройства.

Зонд устанавливают над сооружением и погружают на требуемую глуби45 ну в грунт на уровень укладки подземного стального сооружения путем вращения за ручки 3 или легкими ударами по колпаку 2 и подключают к измерительной установке (полевому полярографу). В отсутствие тока поляризации полевой полярограф регистрирует разность стационарных потенциалов рабочего и вспомогательного электродов. При пропускании тока поляриза55 ции потенциал вспомогательного электрода практически остается постоянным из-эа ничтожно малой плотности тока на нем (его поверхность в

6+6 0 раз превосходит площадь рабочего

1 420506 электрода) и изменение разнос ги потенциалов между электродами происходит практически только за счет поляризации рабочего электрода изготовУ

5 ленного из металла подземного сооружения„

При катодной поляризации рабочего электрода снимается полярограмма кислорода, высота которой зависит от физико-химических свойств грунта н данной точке подземного стального сооружения и характеризует величину коррозионного тока н язвах, имеющих максимальную глубину. В процессе дальнейшей работы не обязательно каждый раз снимать катодную полярограмму восстановления кислорода на рабочем электроде„ (остаточно на рабочий электрод подать потенциал, соответствую (ий середине площадки предельного тока кислорода и зафиксировать значение предельного тока восстановления кислорода после его установления во времени (в толще грунта это примерно 15 мин) . Затем полярограф отключают и рабочий электрод зонда подключают к катодíой защите подземного сталт ного сооружения и сравнивают величину тока катодной защиты на 30 рабочем электроде зонда, диаметр которого выбрал так, чтобы полностью смоделировать условия диффузии кислорода к,наиболее коррозионно-опасному "критическому" дефекту изоляциoHHoI покрытия подземного сооруже35 ния, с предельным током по кислороду, определенным ранее с помощью полярографа. Т,е. определяют полярность подземного стального сооружения по

40 отношению к рабочему электроду, концентрация кислорода на поверхности которого ранна нулю.

Если значение тока катодной защиты совпадает с предельным по кисло45 роду, значит на защищаемой поверх— ности подземного стального сооружения кислород, поступающий из окружающего грунта, полностью связывается за счет электронов, поступающих от источника катодной защиты (протекто50 ра или станции катодной защиты). Гсли ток катодной защиты больше или меньше предельного по кислороду, то такая ситуация соответствует либо перезащите, либо недозащите.

Например, в песке влажностью 147, плотность предельного тока по кислороду на рабочем электроде зонда составляет 5,0(((А/см . В этот песок помещают дна образца из трубной стали

17ГГ. Один образец подключают к катодной защите и одновременно к рабочему электроду коррозионно-индикаторного зонда, второй оставляют свободным.

Режим катодной защиты первого образца усиливают до тех пор, пока плотность тока катодной защиты на рабочем электроде зонда не достигла предельной по кислороду. Эта ситуация реали †зуется при потенциале катодной защиты минус 0,67 Р по м.э.с. Оба образца в коррозион :ой среде находятся в течение 72 ч. Затем образцы извлекают из песка и определяют их скорость коррозии.

У образца, находящегося под катодной защитой, она составляет

0,0041 г/м ч. Плотность коррозионного тока при этом 0,4 ((А/см . У свободного образца скорость коррозии составляет 0,038 г/м ч . Эта скорость коррозии соответствует коррозионному току

3,6p А/см, Из сопоставления плотности предельного тока по кислороду на

1 рабочем электроде зонда с плотностью коррозионного тока свободного образца видно, что н коррозионном процессе в данном случае реализуется не весь кислород, поступающий к корродирующей поверхности из песка, а часть его (727). Однако максималь но возможная плотность коррозионного тока, когда весь кислород участвует в коррозионном процессе, может в данном случае достигать 5,0 Ц A/см „

Именно эта плотность коррозионного тока, равная предельной по кислороду, н предлагаемом способе учитывается при оценке эффективности катодной защиты подземных стальных сооружений, что гарантирует от возможных ошибок. Из представленных результатов видно, что остаточной скоростью коррозии при условии, когда плотность защитного тока совпадает с плотностью предельного тока кислорода, н практике эксплуатации подземных стальных сооружений можно пренебречь, Затем коррозионным испытаниям подвергают две партии короткозамкнутых образцов, изготовленных из трубной стали 17ГС. В обеих партиях набрано по девять образцов. Образцы помещают в песок с влажностью, близкой к его полному влагонасыщению (187,).

Плотность предельного тока по кисло б2050б

10 роду в этом случае составляет

4,8 п1 А/см . Как и в первом случае, первую партию короткозамкнутых образцов подключают к катодной защите и одновременно к рабочему электроду

5 коррозионно-инлика торного зонда.

Вторую партию короткозамкнутых образцов оставляют свободной. Режим катодНоН защиты первой партии образцов усиливают Ло тех пор, пока плотность катодной защиты на рабочем электроде зонда не достигла предельной по кислороду. Это условие реализуется при потенциале католной защиты минус

О, 75 В по м. э,с. Образцы подвергают коррозионным испытаниям в течение

72 ч, после этого вынимают из песка и определяют их скорость коррозии.

У образцов, находящихся под католной 20 защитой, она составляет 0,0063 + -0,0011 г/м2ч, что соответствует плотности коррозионного тока

О, бО А/см . У свободных образцов . скорость коррозии составляет 0,043

+0,009 r/м ч, что соответствует плотности коррозионного тока 4,0р А/см2 .

Затем с первой партией короткозамкнутых образцов в этом же песке влаж- 30 ностью 187. повторяют коррозионные испытания при условии недостаточной катодной защиты. Ток катодной защиты установлен равным половине предельно— го тока по кислороду на рабочем электроле зонда. Эта ситуация реализуется при потенциале катодной защиты минус О,б3 В по м.э.с. Эксперимент ведут в течение 72 ч. Затем образцы извлекают из песка и определяют ос в щ таточную скорость коррозии. В этом случае наблюдается более значительный разброс экспериментальных результатов. Скорость коррозии образцов составляет 0,013НО,Об1 г/и, что соответствует плотности коррозионного тока 1,3 Р А/см . Остаточная плотность коррозионного тока практически пропорционально увеличилась также в два раза. Т,е„ величину защитного тока по сравнению с предельным по кислороду уменьшили в два раза, соответственно остаточная скорость коррозии возросла в два раза. Степень защиты в рассматриваемом случае составляет:

40-13

=0 42 (рассчитана по убы4,0 ли массы образцов); и 8-2 4

z= - - — - =О, 50 (рассчитана по прел4,8 лагаемому способу) .

Сопоставление результатов по степени католной зашиты образцов из трубной стали показывают удовлетворительную сходимость Однако у предлагаемого способа есть очень сущес.твенное преимущество: степень защищенности от коррозии известна сразу же после задания режима катодной запп ты. Такую информацию не может дать ни один из существующих в настоящее время в нашей стране и за рубежом способов определения эффективности католной защиты подземных стальных с оор ужений, С этой же партией образцов в этом же песке реализовывают перезащиту..

Режим катодной защиты образцов усиливают до тех пор, пока плотность тока катодной защиты на рабочем электроде зонда не превьшгает плотность предельного тока по кислороду в два раза.

Эта ситуация реализуется при -потенциале катодной защиты минус 0,87 В по м.э.с. По истечении 72 ч образцы вынимают из песка и определяют остаточную скорость коррозии. В этом случае она составляет О, 005/+

+0,00 l8 г/м2ч, что соответствует плотности коррозионного тока

0,5бр A/ñì . Остаточная скорость коррозии в этом случае остается практически той же, что и в случае, когда защитпьп1 ток равен предельному по кислороду, Но при этом режиме величина защитного тока в два раза больше предельного по кислороду, т, е. достигнуто пренебрежительно малое увеличение степени катодной защиты, а электроэнергии затрачено в два раза больше. Это немало. В масштабах страны это очень существенно. В этом случае определяют коэффициент полезного использования тока катодной защиты:

- - =0 5.

4 8

9,б

Полученньп результат показывает, что 507 электроэнергии затрачены зря. Эта энергия пошла на абсолютно не нужнбе в катодной защите подземных стальных сооружений протекание реакции водородной деполяризации.

1620506

06 этом известно сразу же после задания режима катодной защиты. Таким образом, используя предлагаемый способ, это обстоятельство можно и необходимо учесть уже на стации наладки и настройки режимов катодной защиты подземных стальных сооружений.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа определения эффективности катодной защиты подзем- ных стальных сооружений с помощью устройства для реализации этого способа показывает по сравнению с про « тотипом повьш ение достоверности получаемых результатов и, что самое главное, — существенное расширение их информативности. Предлагаемое устройство для реализации способа обладает повышенной надежностью в ра1 боте в полевых условиях и дает более достоверные результаты.

Формула изобретения

>5

1. Способ определения эффективности катодной защиты подземных стальных сооружений, заключающийся в том, что определяют полярность сооружения по отношению к образцу, концепт- ур рация кислорода на поверхности которого равна нулю, изготовленному из того же металла, что и подземное сооружение, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения,. образец в грунт вводят до уровня укладки подземного сооружения в составе двухэлектродного зонда в функции рабочего электрода, на

его поверхности кислород связывают автономным, источником тока, фиксируют этот ток, отключают автономный источник тока и рабочий электрод зонда подключают к катодной станции, определяют полярность подземного сооружения по отношению к рабочему электроду и определяют разность величин защитного тока и предельного по кислороду.

2. Коррозионно-индикаторный зонд определения эффективности катодной защиты подземных стальных сооружений, содержащий стальной цилиндрический корпус с ручками и колпаком, рабочий электрод, конический наконечник и соединительные провода, о т л и ч аю шийся тем, что у основания внешней поверхности корпуса выполнено отверстие, в которое посредством диэлектрической втулки герметично вмонтирован рабочий электрод в виде плоского диска, причем диаметр рабочего диска равен 3-6 мм, а расстояние между образующей рабочего электрода и корпусом составляет О, 10,5 мм, причем наружная поверхность стального корпуса зонда в 10 -10 раэ превышает площадь рабочего электрода.

1 620506

Редактор M.Ïåòðîâà

Заказ 4221

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

ВНИИПИ Государственного

113035, Составитель Л. Груднева

Техред Л.Олийнык Корректор М.немчик тираж Подписное комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5